80x86微處理器(一)
- 微處理器是組成微型計算機系統的核心硬件。
- 微處理器通過與某些其他邏輯電路連接組成主板機系統,形成系統級總線。
- 許多外部設備經過接口邏輯與系統級總線連接,使主機與外部設備共同組成完整的微機硬件系統。
三級存儲器結構
微處理器主要技術參數
字長
單位時間內同時處理的二進制數據的位數。
微處理器按字長可分爲:
- 8位CPU
- 16位CPU
- 32位CPU
- 64位CPU
內部工作頻率
- 又稱爲內頻或主頻
- 衡量微處理器速度的重要參數
- 微處理器內部數字脈衝信號震盪的速度,與實際運算能力沒有直接關係
- 主頻只能表示微處理器能力的一個方面,而不能代表微處理器的整體性能
- 內頻的倒數是時鐘週期,是處理器中最小的時間單位,處理器每個動作至少需要一個時鐘週期
PC系列微處理器
平均需要時鐘週期
- 80x86:12
- 80286 & 80386:4.5
- 80486 :2
- Pentium:1-2
- Pentium Pro/II/III : <1/3
80系列速度進一步提高,Pentium具有雙指令流水線,Pentium Pro及之後的系列一個週期可以執行3條或者更多的指令。
外部工作頻率
- 主板爲CPU提供的基準時鐘頻率
- 早期:內頻=外頻
- 之後內頻越來越快,從而出現內部倍頻技術。
- 內頻=外頻x倍頻
- Pentium時代,微處理器支持多種倍頻,設定微處理器頻率時需要同時設定外頻和倍頻。
- 目前微處理器內頻:GHz量級
前端總線頻率
- Front Side Bus: FSB
- 微處理器和外界交換數據的主要通道
- 連接主存、顯卡等吞吐率高的部件
- 前端總線的傳輸能力對計算機整體性能作用很大
- Pentium IV之前,前端總線頻率與外頻相同
- 後期前端總線頻率高於外頻
片內Cache容量
- CPU cache
- CPU Cache的容量和工作容量對提高計算機的速度起着關鍵的作用
CPU Cache分類
- L1 Cache : 4-64KB
- L2 Cache:128KB - 2MB
- L2 Cache是影響CPU性能的關鍵因素之一
- 在CPU核心不變的情況下,增加L2 Cache 的容量能使其性能大幅提高
地址總線寬度
- 決定了微處理器可以訪問的最大物理地址空間
- 決定了微處理器能夠使用多大的主存
- Pentium 32 位地址線 最大容量:2^32=4GB
數據總線寬度
- 決定了微處理器與外部Cache、主存以及I/O設備進行一次信息傳輸的信息量。
- 32位數據總線每次最多可讀寫32位數據
- 64位數據總線每次最多可讀寫64位數據
- 數據總線中讀寫的是主存中的數據
- 數據總線和地址總線相互獨立,數據總線寬度指明瞭芯片的信息傳輸能力,而地址總線寬度說明了芯片可以訪問多少個主存單元。
工作電壓
- 微處理器正常工作需要的電壓
- 微處理器工作電壓隨工藝進步稱下降趨勢
- 電壓的降低能夠有效降低功耗,但是會提高生產成本
微處理器內部結構
- 微處理器是組成計算機系統的核心部件。
- 微處理器具有運算和控制的功能
CPU功能設計思路
基本功能:
- 進行算數和邏輯運算
- 具有接收存儲器和I/O接口來的數據的功能
- 具有發送數據到存儲器和I/O接口的功能
- 可以暫存少量數據
- 能對指令進行寄存、譯碼並執行指令所規定的操作
- 能提供整個系統所需的定時和控制信號
- 可響應I/O設備發出的中斷請求
程序設計:
- 賦值和算術表達式
- 無條件轉移
- 條件轉移
- 關係和邏輯表達式
- 循環
- 數組和其他數據結構
- 子程序
- 輸入/輸出
CPU的內部結構是實現上述功能的執行部件。
CPU內部結構
- 控制器
- 寄存器
- I/O控制邏輯
- 運算單元(ALU)
控制器
- 完成指令的讀取、寄存、譯碼和執行。
- 程序計數器PC用於保存下一條指令的地址
- 一般指令是順序存放在存儲器內
- 程序計數器又叫地址計數器
- 指令寄存器IR保存從存儲器中讀取的當前要執行的指令
- 指令譯碼器ID對指令寄存器中的指令擊行譯碼分析
- 控制邏輯單元根據譯碼分析發出相應的一系列節拍脈衝和電位(控制信號)
- 狀態字(PSW)寄存器暫存處理器當前的狀態
- PSW中的各位用來指示諸如算術運算結構的正負、零否、進位和錯位、溢出等標誌
- 堆棧指示器SP是在對堆棧進行操作時提供地址的
- 堆棧用於子程序調用時保存返回地址和工作寄存器的內容
I/O控制邏輯
- CPU中與輸入/輸出操作有關的邏輯
- 處理輸入/輸出操作
計算機工作過程
計算機的工作過程時不停的取指令和執行指令的過程。
微處理器外部結構
- 數量有限的輸入輸出引腳
- 引腳與其他邏輯部件相連,組成多種型號的微型計算機系統的總線
總線及信號的功能設計
- 和存儲器之間交換信息
- 和I/O設備之間交換信息
- 爲了系統工作而接收和輸出必要的信號(時鐘脈衝、復位信號、電源、接地)
總線分類
- 數據總線(Data Bus):傳送信息(指令或數據)
- 地址總線(Address Bus):指示欲傳信息的來源或目的
- 控制總線(Control Bus):管理總線上的活動
- CPU通過地址總線輸出地址碼來選擇某一存儲器單元或某一I/O端口的寄存器。
- 數據總線用於CPU和存儲器或I/O接口之間的傳送數據
- 控制總線用於傳輸自CPU發出的或送到CPU的控制信息與狀態信息
- 數據總線的條數決定CPU和存儲器或I/O設備一次能交換數據的位數